fr.wedoany.com Rapport : Des chercheurs de l'Institut des sciences photoniques de Barcelone (ICFO) ont mis au point une cellule solaire organique tandem à quatre bornes, dont le rendement de conversion de puissance atteint 16,94 %. L'innovation clé réside dans une électrode d'argent d'une épaisseur de seulement 7 nanomètres, soit environ un millième du diamètre d'un cheveu humain.
Les cellules solaires organiques suscitent l'intérêt en raison de leur faible coût et de leur flexibilité de fabrication, mais leur rendement de conversion photovoltaïque a toujours été inférieur à celui des cellules à base de silicium. La valeur de rendement obtenue par l'équipe de l'ICFO dépasse largement non seulement le rendement de référence de 6,5 % des cellules tandem à quatre bornes du même type précédemment rapporté, mais aussi le record officiel de 14,2 % de tous les dispositifs organiques en tandem (y compris les conceptions à deux bornes).
Le rendement des cellules solaires organiques à jonction unique est limité par leur capacité à n'absorber qu'une partie du spectre solaire. Les photons de trop haute énergie sont dissipés sous forme de chaleur (pertes par thermalisation), tandis que ceux de trop faible énergie traversent directement la cellule (pertes par transmission). Ces deux mécanismes imposent ensemble une limite supérieure au rendement d'une cellule unique. La structure tandem résout ce problème en empilant deux sous-cellules avec des bandes interdites différentes, chacune étant accordée sur une partie différente du spectre, capturant ainsi davantage de photons. Cette approche a déjà été validée dans les dispositifs à base de silicium et de pérovskite.
La difficulté de fabriquer des cellules organiques tandem à deux bornes réside dans le fait que les sous-cellules partagent un circuit unique et que le courant doit être précisément adapté, tandis que la couche d'interconnexion doit allier une haute efficacité électrique et une transparence élevée. La conception à quatre bornes adoptée par l'ICFO évite complètement le problème d'adaptation du courant. Les sous-cellules avant et arrière possèdent des connexions de circuit indépendantes, permettant aux chercheurs de choisir la bande interdite de chaque sous-cellule uniquement en fonction de l'absorption optimale de la lumière.
Pour concrétiser cet avantage théorique, l'équipe de recherche a sélectionné le mélange photoactif PM6:L8-BO pour la cellule avant, et le mélange à bande interdite étroite PTB7-Th:O6T-4F pour la cellule arrière, afin d'absorber les photons infrarouges. Avant la fabrication, ils ont combiné une approche matricielle avec une méthode de résolution de problème inverse pour déterminer par calcul la structure optimale du dispositif. Le défi principal de la fabrication résidait dans l'électrode supérieure de la cellule avant. L'épaisseur traditionnelle des électrodes d'argent transparentes se situe généralement entre 9 et 15 nanomètres ; l'équipe de l'ICFO l'a réduite à 7 nanomètres. Cette électrode d'argent de 7 nm d'épaisseur est intégrée dans une pile multicouche photonique alternant du trioxyde de tungstène (WO₃) et du fluorure de lithium (LiF). Cette structure offre une transmission élevée dans la gamme de longueurs d'onde de 750 à 1000 nm, permettant à la lumière infrarouge d'atteindre la cellule arrière, tout en réfléchissant la lumière dans la gamme de 500 à 700 nm vers la cellule avant, récupérant ainsi l'énergie qui serait autrement perdue.
Testé sous un simulateur solaire à une condition d'éclairement solaire, et après des mesures de rendement quantique, le dispositif a atteint un rendement de conversion de puissance de 16,94 %. Francisco Bernal, premier auteur de l'étude, a souligné que la fabrication d'une électrode de seulement 7 nm sans perte dans la cellule avant transparente constitue une avancée majeure dans le domaine des cellules transparentes, et qu'atteindre un équilibre entre transparence et conductivité à une épaisseur de 7 nm est sans précédent.
L'équipe de l'ICFO envisage d'appliquer cette technologie aux cellules photoélectrochimiques, qui utilisent l'énergie solaire pour décomposer l'eau en hydrogène ou convertir le dioxyde de carbone en carburant. Cette recherche s'inscrit dans le cadre du projet SOREC2. Le professeur Jordi Martorell, qui a coordonné l'étude, a indiqué que la méthodologie utilisée pour concevoir et réaliser la structure tandem à quatre bornes pourrait être employée pour concevoir de nouveaux systèmes dans lesquels la distribution appropriée de la lumière dans les composants est cruciale pour les performances d'un dispositif spécifique. L'équipe se concentre actuellement sur l'amélioration de cette méthodologie et sur son application dans le domaine des carburants solaires, y compris la conversion et la valorisation du dioxyde de carbone.
